باحثون روس يحددون مكونات واعدة لإلكتروليتات بطاريات الليثيوم المعدني من الجيل القادم
© Sputnik
تابعنا عبر
حدد باحثون من معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا والمعهد المشترك لدرجات الحرارة العالية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم فئة جديدة من السوائل العضوية، التي قد تساعد في معالجة أحد التحديات الرئيسية في بطاريات الليثيوم من الجيل القادم.
تتعرض البطاريات الحديثة لضغوط متزايدة لتصبح أكثر قوة وكثافة طاقة وأمانًا، فالنقل الكهربائي والإلكترونيات المحمولة وأنظمة تخزين الطاقة جميعها تتطلب تقنيات بطاريات قادرة على تخزين طاقة أكبر مع تقليل المخاطر مثل ارتفاع درجة الحرارة والدوائر القصيرة والحرائق.
ووفقًا لمجلة "بوابة روسيا العلمية"، فقد وجد العلماء أن مشتقات الأمونيا المعروفة باسم "الأمينات الثلاثية" يمكن أن تكون متوافقة مع الليثيوم المعدني، وهو مادة قطب كهربائي واعدة للغاية ولكنها عدوانية كيميائيًا. ونُشرت نتائج أبحاثهم في مجلة الكيمياء الفيزيائية.
أهمية الليثيوم المعدني
يُعتبر الليثيوم المعدني من أكثر المواد جاذبيةً لأقطاب البطاريات الجديدة، نظرًا لسعته النظرية الأعلى بكثير من سعة الجرافيت المستخدم في بطاريات الليثيوم أيون الحالية.
من حيث المبدأ، يُمكن أن يُساهم استبدال الجرافيت بالليثيوم المعدني في ابتكار بطاريات ذات قدرة تخزين طاقة أعلى. إلا أن هذه الميزة تُصاحبها مشكلة كيميائية خطيرة. فالليثيوم شديد التفاعل. عند ملامسته للعديد من مكونات الإلكتروليت، يُمكنه تدميرها، مُنتجًا نواتج تفاعل غير مرغوب فيها، وأغشية سطحية غير مستقرة، وتفرعات الليثيوم، وهي تراكيب إبرية الشكل قد تُساهم في حدوث دوائر قصر بل وحتى اشتعال البطارية.
هذا يجعل تصميم الإلكتروليت أحد أهم التحديات في كيمياء البطاريات الحديثة، حيث يجب أن يسمح الإلكتروليت بنقل الأيونات، وأن يكون قادرًا على تحمل ملامسته لليثيوم المعدني النشط.
مشكلة الإلكتروليت
حتى وقت قريب، كانت الإيثرات من بين المركبات المرشحة الرئيسية للإلكتروليتات المصممة للعمل مع أقطاب الليثيوم المعدني. فهي متوافقة معه، وتُستخدم على نطاق واسع في أبحاث بطاريات الليثيوم المعدني. لكن للإيثرات أيضًا قيود، إذ أنها قد تكون متطايرة وقابلة للاشتعال، ولا تتوافق دائمًا مع الكاثودات عالية الجهد.
لهذا السبب، قرر فريق البحث الروسي توسيع نطاق البحث ليشمل موادًا أخرى غير المواد المعتادة. فبدلًا من التركيز فقط على مُرشّحي الإلكتروليت التقليديين، استخدموا تقنية فحص كيميائي كمي متطورة لتقييم استقرار مجموعة واسعة من السوائل العضوية.
وشكّلت الإيثرات المجموعة الأكبر بين السوائل الواعدة التي تم تحديدها من خلال الفحص، وكانت النتيجة غير المتوقعة هي أن المجموعة الثانية الأكبر تتكون من الأمينات الثلاثية، والتي مثّلت 28% من الجزيئات المختارة. تُعدّ هذه النتيجة مهمة لأن الأمينات الثلاثية لم تحظَ سابقًا باهتمام كبير كمكوّنات لإلكتروليتات البطاريات المتوافقة مع الليثيوم المعدني.
وبحسب مكسيم أوريخوف، المؤلف الأول للدراسة والمساعد في قسم الفيزياء الحاسوبية للمادة المكثفة والأنظمة الحية بمعهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا، فقد عمل الفحص النظري كمرشح، إذ ساعد في تحديد الجزيئات التي يُحتمل أن تتحلل بالقرب من قطب الليثيوم، وتلك التي ينبغي أن تبقى مستقرة، والنقطة الأساسية هي أن الأمينات الثلاثية أظهرت استقرارا عاليا ليس فقط نظريا، بل أيضا في الاختبارات العملية.
لماذا تُعدّ الأمينات الثلاثية واعدة؟
تكمن ميزة الأمينات الثلاثية في وظيفتها المزدوجة المحتملة. فبحسب الباحثين، لا تقتصر مقاومة هذه الجزيئات للاختزال عند مصعد الليثيوم فحسب، بل تُعرف أيضًا بأنها إضافات وظيفية. إذ يمكنها الارتباط بالشوائب الضارة كالماء والأحماض، وقد تُساهم في تكوين طبقات واقية على المهبط، وهذا ما يجعلها مثيرة للاهتمام ليس فقط كمكونات إلكتروليت مستقرة، بل أيضًا كمواد يُمكنها تحسين البيئة الكيميائية العامة داخل البطارية.
يشير المقال أيضًا إلى إمكانية استخدام هذه المركبات في بطاريات الليثيوم (معدن، وصوديوم)معدن من الجيل القادم لتحقيق استقرار الإلكتروليتات، وربط الشوائب، وتحسين الطبقات الواقية على الأقطاب الكهربائية.
لم يكتفِ الباحثون بالحسابات فقط، بل أجروا أيضًا اختبارات تلامس باستخدام الليثيوم والصوديوم، وباستخدام قياس انعكاس الليزر، أظهروا أن الأسطح المعدنية الموضوعة في بيئات الأمينات الثلاثية احتفظت بلمعانها الشبيه بالمرآة. في المقابل، فقدت عينة التحكم التي تحتوي على ثنائي ميثيل فورماميد بريقها بسرعة نتيجة تفاعل كيميائي.
تدعم هذه النتيجة التجريبية التوقع النظري بأن الأمينات الثلاثية يمكن أن تكون مستقرة كيميائيًا عند ملامستها لأقطاب معدنية شديدة التفاعل، وتشير الدراسة إلى أن الأمينات الثلاثية قد تُصبح عنصرًا هامًا في تطوير إلكتروليتات أكثر أمانًا وكفاءةً للبطاريات المستقبلية.
وتكتسب توافقيتها مع الليثيوم المعدني أهميةً خاصة، نظرًا لأن أقطاب الليثيوم المعدني تُعتبر مسارًا واعدًا نحو بطاريات ذات سعة أعلى من أنظمة أيونات الليثيوم الحالية القائمة على الجرافيت.
لا يعني هذا الاكتشاف توفر بطارية تجارية جاهزة، بل يُحدد فئة جديدة وواعدة من جزيئات الإلكتروليت التي يُمكن الآن دراستها بشكل أعمق، وإمكانية دمجها في تصميمات البطاريات المتقدمة.
المصدر: | بوابة روسيا العلمية |
